3.发酵用压缩空气的预处理及除菌设备

压缩空气除水原理
• 压缩后，高温下空气中水不会析出。 压缩空气由高温经冷却相对湿度增加。 • 相对湿度为100%时，对应空气温度为露点 温度。
• 压缩空气的露点温度比吸气状态空气的露点温度 高，压缩比越大，露点温度也越高，更易析出水。
温度升高相对湿度降低。
• [例2-2]空压机吸入空气温度20℃， 1=80%，当压缩到 0.2MPa（表压）时，温度为120 ℃，问：⑴此时压缩空气 的相对湿度 2 ？⑵将上述压缩空气冷却到有水析出时，至 少冷却到的露点温度？ • ⑴ ps1 p2 2340 301.3 2 1 0.8 2.8% 198653 101.3 ps 2 p1
对于一些直径很小的微粒，它所带的电 荷很小，微粒不能被吸附而沉降，所以静 电除尘对很小的微粒效率较低。
4.过滤除菌法
•
过滤除菌是目前生物技术工业生产中使 用的最常用的空气除菌方法，它采用定期灭 菌的干燥介质来阻截流过的空气所含的微生 物，从而获得无菌空气 常用的过滤介质有棉花、活性炭、超细 玻璃纤维、石棉滤纸、PVA烧结材料过滤介 质、烧结金属过滤介质等。
1 ps1 0.8 2.340 0.622 0.0117 kg / kg 水 / 干空气 p1 1 ps1 101.3 0.8 2.340
每kg干空气能析出水=x1 x2 0.0051kg
[例2-4] 若将例2-3的压缩空气加热到35℃（压强不 变），问其相对湿度为多少？查得35℃时 ps =5623.44Pa = 5.623kPa
一、生物工业生产对空气质量的要求
1．空气中微生物的分布
• 空气中经常可检查到一些细菌及其芽孢、酵母、
真菌和病毒。
• 北方干燥寒冷的空气含菌量较少，而南方潮湿 温暖的空气含菌量较多；
• 人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多；一 般城市空气中杂菌数为3000~8000个／米３
• 一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一个 数量级。
•
1．热杀菌
• • • 热杀菌是一种有效的、可靠的杀菌办法。 如果采用加热空气，以达到杀菌目的， 需要消耗大量的能源和增设许多换热设备。 利用空气被压缩时所产生的热量进行加 热保温杀菌在生产上有重要的意义。
空气加热杀菌流程
1.空压机
2.保温维持管
3.贮罐
2．辐射杀菌
• • X射线、β射线、紫外线、超声波、γ射线等 从理论上都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用。 应用较广泛的是紫外线，它的波长在 253.7～265nm时杀菌效力最强，它的杀菌力 与紫外线的强度成正比，与距离的平方成反比。 紫外线通常于无菌室和医院手术室等空气对 流不大的环境下消毒杀菌。 杀菌效率低，杀菌时间长，一般要结合甲醛 蒸气或苯酚喷雾等来保证无菌室的高度无菌。
解： p x 301.3 0.00661 0.563 ps 0.622 x 5.623 0.622 0.00661 其相对湿度为 56.3%
第三节 空气介质过滤除 菌设备及计算
一、介质过滤除菌流程
（一）空气除菌流程的要求
•
空气除菌流程是按发酵生产对无菌空 气的要求，并结合采气环境的空气条件 和所用除菌设备的特性，根据空气的性 质制定的。
3.发酵用压缩空气的 预处理及除菌设备
空气净化除菌
• 好气性微生物发酵通常以空气作为氧源
• 通风发酵需要的空气必须是洁净无菌的 空气，并有一定的温度和压力，这就要 求对空气进行净化除菌和调节的处理。 • 空气除菌的方法很多，如辐射灭菌、加 热灭菌、化学药物灭菌、静电吸附除菌 和介质过滤除菌等。
第一节 空气净化除菌的 方法与原理
•
悬浮于空气中的微生物，其孢子大 多带有不同的电荷，没有带电荷的微 粒在进入高压静电场时都会被电离变 成带电微粒。 静电除菌装置按其对菌体微粒的作 用可分成电离区和捕集区。
•
静电除菌除尘装置示意图
静电除菌
• •
•
用静电除菌进行空气净化，要求极板很 平直，安装间距均匀。 使用该方法一次性投资费用较大。
无菌空气
• 发酵对无菌空气的要求是 ：无菌，无灰尘， 无杂质，无水，无油，正压等几项指标。 • 发酵对无菌空气的无菌程度要求是：只要 在发酵过程中不因无菌空气染菌而造成损 失即可。 • 一般要求1000次使用周期中只允许有一个 菌通过，即经过滤后空气的无菌程度为 N=10－3 。
•
对不同的生物发酵生产和同一工厂 的不同生产区域（环节），应有不同 的空气无菌度的要求。 生物工业生产除对空气的无菌程度 有要求外，还根据具体情况而对空气 的温度、湿度和压力有一定的要求。
• •
3.静电除菌
•
采用静电除尘法除去空气中的水雾、 油雾、尘埃和微生物等，消耗能量小， 空气压力损失小，设备也不大，但对 设备维护和安全技术措施要求较高。 常用于洁净工作台、洁净工作室所 需无菌空气的预处理，再配合高效过 滤器使用。
•
静电除尘
•
静电除尘是利用静电引力吸附带电 粒子而达到除菌除尘目的。
•
空气中微生物数目的数量级可以认 为是103～104个/m3。
通过对空气中微生物分布情况的研究， 选择良好的取风位置和提高空气除菌系统 的除菌效率，是确保发酵工业正常生产的 重要条件。
•
2．生物工业生产对空气质量的要求
（1）压缩空气的压强 空气压缩机出口的空气压强0.2～0.35MPa （2）空气流量 （3）空气的温度 进发酵罐压缩空气的温度比发酵温度高出10℃ （4）相对湿度 进入总过滤器的压缩空气的相对湿度控制在60 ％～70％。 （5）洁净度
4.冷热空气直接混合式空气除菌流程
空气除菌流程
•利用热空气加热冷空气的除菌流程
利用热空气加热冷空气的除菌流程
1-高空采风 2-粗过滤器 3-空压机 4-热交换器 5-冷却器 6、7-旋风分离器 8-空气总过滤器 9-空气分过滤器
冷热空气直接混合式空气除菌 流程
• • 此流程适用于中等湿含量的地区。 其特点是：可省去第二冷却分离设备和 空气再加热设备，流程比较简单，冷却水 用量较少，利用压缩空气的热量来提高空 气温度。 但此流程的空气冷却温度和空气分配比 的关系随所吸取空气的参数而变化，常常 需要进行具体的计算而给予调节。
第二节 压缩空气预处理原理
空气压缩过程，压强与温度的关系：
T2 p2 T1 p1
K 1 K
,
一般发酵工厂净化系统设计时取K 1.3
• [例2-1]空压机吸入空气温度20℃，当压缩到0.2MPa（表 压）时，问此时压缩空气温度?
解： T1 273 20 293K , p1 0.101MPa, p2 0.201MPa, K取1.3 p2 T2 T1 377.5 K p1 377.5 273 104.5 C
•
3．空气含菌量的测定
• • 空气含菌量的测定一般采用培养法或 光学法测定其近似值。 以光学法为基础的仪器有粒子计数器， 它是利用微粒对光线散射作用来测量粒 子的大小和含量。 粒子的大小与讯号峰值有关。数量与 讯号脉冲频率有关。
•
二、空气净化除菌方法及原理
（一）空气除菌方法
• • 常用的除菌方法有介质过滤、辐射、 化学药品、加热、静电吸附等。 辐射杀菌、化学药品杀菌、干热杀菌 等都是将有机体蛋白质变性而破坏其活 力，从而杀灭空气中的微生物。 介质过滤和静电吸附方法则是利用分 离方法将微生物粒子除去。
• ⑵当空气冷却到露点即 100%, p p 1 p2 2 s2 s1 2 p1 2.8% 301.3 ps 2 198653 100% 301.3
5562.28 Pa
O
由ps 2查t2 34.5 C
（二）粗过滤器
• 作用：粗过滤器安装在空气压缩机前， 主要起捕集较大的灰尘颗粒，防止其 进入压缩机而造成压缩机磨损，同时 也减轻总过滤器的负荷。
• 要求：粗过滤器的过滤效率要高，阻 力要小。 • 常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料 式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。
布袋过滤
•
• • • 布袋过滤结构最简单，只要将滤布缝制成与 骨架相同形状的布袋，紧套于焊在进气管的骨架 上，并缝紧所有会造成短路的空隙。 它的过滤效率和阻力损失要视所选用的滤布特 性和过滤面积而定。 布质结实细致，则过滤效率高，但阻力大。 最好采用毛质绒布效果较好，现多采用合成纤 维滤布。
O
k 1 k
湿空气的性质
•湿度
空气湿度x(湿含量)：湿空气中所含的水蒸气质量与所 含的干空气质量之比。
mw M w pw pw x 0.622 mg M g pt pw pt pw
•相对湿度
相对湿度：湿空气中水蒸气分压与同温下水的饱和蒸 气压之比。
pw pt x 100% 100% ps ps 0.622 x
•
空气过滤除菌实用化流程
1.粗滤器 2.空压机 3.空气贮罐 4.沉浸式空气冷却器 5.油水分离器 6.二级空气冷却管 7.除雾器 8.空气加热器 9.空气过滤器 10.金属微孔管过滤器（或上接纤维纸过滤器）
二、空气介质过滤除菌设备及 设计计算 （一）吸风塔
吸风塔的高度 ＞10m。
吸风塔内的空 气流速不能太 快。≤8m/s
（二）空气除菌流程
• 1．空气压缩冷却过滤流程
• 此除菌流程是一个设备较简单的空气除菌 流程，它由压缩机、贮罐、空气冷却器和 过滤器组成。
空气除菌流程
• 空气压缩冷却过滤流程
过滤空气
空气压缩冷却过滤流程
1-粗过滤器 2-空气压缩机 3-贮罐 4-冷却器 5-过滤器
空气压缩冷却过滤流程
•
• •
pw pt x 100% 100% ps ps 0.622 x
p s1 p2 2 1 ps 2 p1
空气经过压缩其湿含量不变，温度大大提高，相对 湿度变小；当其冷却时，相对湿度会慢慢变大，直 到冷却到露点， =100%， ＞100%既有水析出。
生物工业生产对空气调节的要求
生物工业生产需要洁净的环境、适宜的空气温 度和空气压强。 洁净空间：指空气中微粒受控制的空间。
洁净度级数(英制)：每1ft3空气中，粒径大于等 于0.5μm的最大允许粒子数。 洁净度级数(国际制)：每1m3空气中，粒径大于 等于0.5μm的最大允许粒子数的常数对数值。
[例2-3]若将例2-2的压缩空气冷却到25℃（压强不变）， 求：①其湿含量？②每kg干空气能析出多少水？查得25℃ 时 ps =3167.68Pa = 3.1677kPa 。
解：①其湿含量为 2 ps 2 1 3.1677 x2 0.622 0.622 0.00661 kg / kg 水 / 干空气 p2 2 ps 2 301.3 3.1677 ②x1 0.622
•
• 此流程尤其适用于潮湿的南方地区。
空气除菌流程
•两级冷却、分离、加热的空气除菌流程
旋 风 分 离 器
3．前置高效过滤除菌流程
1.高效过滤器
2.空压机 3.贮罐 4.冷却器 6.加热器 7.过滤器
5.丝网分离器
前置高效过滤除菌流程
• 高效前置过滤除菌流程的特点是无菌 程度高。
• 高效前置过滤器采用泡沫塑料（静电 除菌）和超细纤维纸串联使用作过滤 介质。
空气洁净级数
粒径≥0.5μm的 空气洁净 粒径≥0.5μm的最 空气洁净 最大微粒数（个 级数(英制) 大微粒数（个/ft3） 级数(国际) 3） /m
100 1000 10000 100000
100 1000 10000 100000
3500 35000 350000 3500000
M3.5 M4.5 M5.5 M6.5
它只能适用于那些气候寒冷、相对湿度 很低的地区。
这种流程在使用蜗轮式空气压缩机或无 油润滑空压机的情况下效果是好的。 采用普通空气压缩机时，应加装丝网分 离器先将油雾除去。
2．两级冷却、分离、加热的空气除 菌流程
• 它可以适应各种气候条件，能充分地分 离空气中含有的水分，使空气在低的相对 湿度下进入过滤器，提高过滤除菌效率。 这种流程的特点是：2次冷ห้องสมุดไป่ตู้、2次分离、 适当加热。